(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電システムを監視する燃料電池発電監視システムにおいて、
実測値をシミュレーションモデルに入力することにより燃料電池発電システムの状態を模擬するシミュレータと、
前記シミュレータによる模擬結果を実測値に一致させる、前記シミュレーションモデルのパラメータ値を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記パラメータ値に基づいて前記燃料電池発電システムを監視する監視手段と、
を備え、
前記パラメータ値は燃料電池の有効電極面積であり、
前記算出手段は、前記燃料電池発電システムにおける燃料電池スタック電圧の実測値が前記シミュレータによる模擬結果に一致するような前記有効電極面積を算出することを特徴とする燃料電池監視システム。
【請求項２】
前記パラメータ値は燃料電池の改質器の能力にかかることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池監視システム。
【請求項３】
前記監視手段は、前記シミュレータにより前記燃料電池発電システムの状態を実時間よりも高速で模擬した模擬結果に基づいて前記燃料電池発電システムを監視することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池監視システム。
【請求項４】
前記シミュレーションモデルに入力される前記実測値は、公衆回線を介して前記燃料電池発電システムから前記シミュレータに転送されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池監視システム。
【請求項５】
公衆回線を介して前記燃料電池発電システムから前記シミュレータに転送された前記実測値を収集する収集手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電監視システムに関し、特に保守にかかる工数を大幅に削減し、燃料電池内部の劣化状況を正確に監視すると共に劣化の状態を記録し、使用状況の履歴に関する情報の提供が可能な燃料電池発電監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
我が国では２００５年度より、家庭用燃料電池発電システムの実証試験が開始された。実際の長期利用に関して燃料電池発電システムの問題点の洗い出しや耐久性を調査する目的で、２００５年度は全国で４８０台の燃料電池発電システムが実証試験に入った。今後、２０１０年までに段階的に試験システム数を増やす計画である。燃料電池発電システム内には、センサが配置され水素漏洩や発電異常等の安全面や機能面の監視を実施している。
【０００３】
従来の燃料電池発電監視システムに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−０４５３５２号公報
【特許文献２】特開２００２−００８７０２号公報
【特許文献３】特開２００３−２２３９１７号公報
【特許文献４】特開２００３−２４８７６４号公報
【特許文献５】特開２００４−１１９０５５号公報
【特許文献６】特開２００５−３３２３６０号公報
【０００５】
図９はこのような従来の燃料電池発電監視システムの一例を示す構成ブロック図である。図９において１は電圧、温度及び圧力等を測定する測定手段、２は演算制御手段である。１００は被測定対象である燃料電池発電システムであり、測定手段１及び演算制御手段２は燃料電池発電監視システム１０１を構成している。
【０００６】
燃料電池発電監視システム１００は測定手段１に接続され、測定手段１は演算制御手段２に接続される。
【０００７】
ここで、図９に示す従来例の動作を図１０を用いて説明する。図１０は燃料電池発電システム１００の構成ブロック図である。
【０００８】
図１０において３は都市ガスに含まれる硫黄分を除去する脱硫器、４は水素を主成分とする改質ガスを取り出す改質器、５は燃料電池本体、６は燃料電池本体５に空気を供給する空気供給装置、７は直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、８は燃料電池本体６から得られる熱を取り出す熱交換器、９はお湯を貯めておく貯湯槽、１０はお湯を供給する補助加熱器である。
【０００９】
また、脱硫器３、改質器４、燃料電池本体５、空気供給装置６、インバータ７及び熱交換器８は燃料電池ユニット５０を構成し、貯湯槽９及び補助加熱器１０は貯湯ユニット５１を構成している。燃料電池ユニット５０及び貯湯ユニット５１は燃料電池発電システム１００を構成している。
【００１０】
都市ガスを供給するための供給管は脱硫器３の気体導入口に接続され、脱硫器３を経由したガスは改質器４の気体導入口に供給される。改質器４で生成された改質ガスは燃料電池本体５の一方の気体導入口に供給される。また、燃料電池本体５の出力端子はインバータ７の入力端子に接続され、インバータ７の一方の出力端子は燃料電池本体５の入力端子に接続される。
【００１１】
空気を供給するための供給管は空気供給装置６の気体導入口に接続され、空気供給装置６からの空気は燃料電池本体５の他方の気体導入口に供給される。インバータ７の他方の出力は交流電圧として出力される。
【００１２】
燃料電池本体５の熱媒体排出口は熱交換器８の熱媒体導入口に接続され、熱交換器８の熱媒体排出口は燃料電池本体５の熱媒体導入口に接続される。貯湯槽９からの循環水は熱交換器８の循環水導入口に供給され、熱交換器８からの循環水は貯湯槽９の循環水導入口に供給される。
【００１３】
また、水道管は貯湯槽９の導入口に接続され、貯湯槽９からのお湯は補助加熱器１０の導入口に供給される。そして、補助加熱器１０を経由して外部にお湯が供給される。
【００１４】
都市ガスは脱硫器３に入ると改質触媒に有害である硫黄分が除去され、さらに、改質器４で水素を主成分とする改質ガスが取り出される。そして、この改質ガスが燃料電池本体５に実装されているセルの燃料極（以下、単に燃料極という。）に供給される。一方、空気供給装置６により空気が燃料電池本体５に実装されているセルの空気極（以下、単に空気極という。）に供給される。
【００１５】
そして、燃料極に供給された水素が触媒により水素イオンと電子に分解される。電子は直流電流としてインバータ７に入力され、水素イオンは固体高分子膜を通って空気極に移動する。インバータ７に入力された電子は空気極に戻され、水素イオンは空気極に供給された空気中の酸素及び電子と結合して水となる。
【００１６】
この時、同時に熱が発生し、この熱は熱交換器８に送られる。貯湯槽９には水が供給され、この水が熱交換器８と貯湯槽９を循環することにより温められる。貯湯槽９に貯められたお湯は必要な時に補助加熱器１０を経由して供給される。補助加熱器１０は、貯湯槽９に貯められたお湯で供給しきれない時に、貯湯槽９に供給された水を加熱してお湯を作り出し、供給する。
【００１７】
図９に示す従来例では、このような燃料電池発電監視システム１００の運転時の電池電圧、温度、運転圧力及び水蒸気圧力等の物理状態諸量を測定手段１に取り込み、これらのデータを演算制御手段２に送り、所定のプログラムを用いて電極基体の腐食進行速度、腐食量及び腐食量積算値を求める。
【００１８】
この結果、燃料電池発電システム１００の運転時の電池電圧、温度、運転圧力及び水蒸気圧力等の物理状態諸量を測定手段１に取り込み、これらのデータを演算制御手段２に送り、所定のプログラムを用いて電極基体の腐食進行速度、腐食量及び腐食量積算値を求めることにより、燃料電池を停止して目視及び触診を行う必要が無くなるので、電極基体の腐食状況を容易に把握することが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、図９に示す従来例では、プログラムで使用される演算式は決められているため、燃料電池発電システム１００を構成する部材が変わった時は、その部材に合わせて演算式も変えなければならないので、プログラムの保守に膨大な工数がかかるという問題点があった。
【００２０】
従って本発明が解決しようとする課題は、保守にかかる工数を大幅に削減し、燃料電池発電システム内部の劣化状況を正確に監視すると共に劣化の状態を記録し、使用状況の履歴に関する情報の提供が可能な燃料電池発電監視システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の燃料電池発電監視システムは、燃料電池発電システムを監視する燃料電池発電監視システムにおいて、
実測値をシミュレーションモデルに入力することにより燃料電池発電システムの状態を模擬するシミュレータと、
前記シミュレータによる模擬結果を実測値に一致させる、前記シミュレーションモデルのパラメータ値を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記パラメータ値に基づいて前記燃料電池発電システムを監視する監視手段と、
を備え、
前記パラメータ値は燃料電池の有効電極面積であることを特徴とする。
【００２３】
前記パラメータ値は燃料電池の改質器の能力にかかるものでもよい。
【００２４】
前記監視手段は、前記シミュレータにより前記燃料電池発電システムの状態を実時間よりも高速で模擬した模擬結果に基づいて前記燃料電池発電システムを監視してもよい。
【００２５】
前記シミュレーションモデルに入力される前記実測値は、公衆回線を介して前記燃料電池発電システムから前記シミュレータに転送されるものでもよい。
【００２６】
公衆回線を介して前記燃料電池発電システムから前記シミュレータに転送された前記実測値を収集する収集手段を備えてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，４，５及び請求項６の発明によれば、センサを介して燃料電池発電システムの物理量を測定し、この物理量をデータ収集装置でデータに変換すると共にネットワークを経由し、演算制御装置でこのデータに追従するようにシミュレーションモデルのパラメータを変化させることにより、燃料電池発電システム内部のリアルタイムでは測定不可能な値を計算で求められ、大きな事故や機器の故障に至る前に異常を検出できるので、保守にかかる工数を大幅に削減し、燃料電池発電システム内部の劣化状況を正確に監視することが可能になる。
【００２８】
請求項２，３，４，５及び請求項６の発明によれば、センサを介して燃料電池発電システムの物理量を測定し、この物理量をデータ収集装置でデータに変換すると共にネットワークを経由し、このデータをデータベースに格納し、演算制御装置でこのデータに追従するようにシミュレーションモデルのパラメータを変化させることにより、燃料電池発電システム内部のリアルタイムでは測定不可能な値を計算で求められ、大きな事故や機器の故障に至る前に異常を検出できるので、保守にかかる工数を大幅に削減し、燃料電池発電システム内部の劣化状況を正確に監視すると共に劣化の状態を記録し、使用状況の履歴に関する情報の提供が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る燃料電池発電監視システムの一実施例を示す構成ブロック図である。
【００３０】
図１において１００は図９及び図１０と同一符号を付してあり、１１は燃料電池発電システム１００の各部の物理量を測定するセンサ、１２はセンサ１１からのデータを収集するデータ収集装置、１３はデータ収集装置１２からのデータを格納するデータベース、１４はシミュレータが動作する演算制御装置、１５は予測シミュレータが動作する演算制御装置である。
【００３１】
また、５２はインターネット等のネットワークであり、センサ１１、データ収集装置１２、データベース１３、演算制御装置１４、演算制御装置１５及びネットワーク５２は燃料電池発電監視システム１０２を構成している。データベース１３、演算制御装置１４及び演算制御装置１５は監視を行う監視センターに設置されている。
【００３２】
燃料電池発電システム１００はセンサ１１に接続され、センサ１１はデータ収集装置１２に接続される。データ収集装置１２及びデータベース１３はネットワーク５２にそれぞれ相互に接続される。データベース１３は演算制御装置１４に接続され、演算制御装置１４は演算制御装置１５に接続される。
【００３３】
ここで、図１に示す実施例の動作を図２、図３、図４、図５、図６、図７及び図８を用いて説明する。図２は燃料電池スタック電圧を示す特性図、図３は燃料電池セル有効電極面積のシミュレーション結果を表す図、図４は改質器温度を示す特性図、図５は改質器での改質反応の反応速度定数のシミュレーション結果を表す図、図６は改質器出口での改質ガスの水素組成比のシミュレーション結果を表す図、図７は燃料電池スタック電圧を示す特性図、図８は燃料電池セル有効面積の予測シミュレーション結果を表す図である。
【００３４】
演算制御装置１４は、データ収集装置１２を制御することにより、センサ１１を介して燃料電池発電システム１００の燃料電池スタック電圧等の物理量を測定する。測定された物理量はデータ収集装置１２によりデータに変換され、ネットワーク５２を経由してデータベース１３に格納されると共に演算制御装置１４に送信される。
【００３５】
演算制御装置１４は受信した燃料電池スタック電圧データにシミュレーションモデルのスタック電圧が追従するようにパラメータを動かしてシミュレーションを行う。演算制御装置１４は図２中”ＣＨ０１”に示す燃料電池スタック電圧の計測値に図２中”ＴＲ０１”に示すシミュレーション値が一致するように、シミュレーションモデルの燃料電池セル有効電極面積を変化させる。
【００３６】
例えば、何らかの原因により燃料電池内が加湿過多になり、若しくは、ガス中のＣＯ（一酸化炭素）濃度が増してセル内の電解質膜に施された触媒がＣＯ被毒し、若しくは、電解質膜に水が付着して発電に寄与するセル有効電極面積が小さくなった場合、燃料電池発電システム１００は出力電流を一定に保とうとするため、都市ガスを多く取り込むように動作する。
【００３７】
燃料電池発電システム１００に流入する都市ガスの流量は、燃料電池スタック電圧と同様に、センサ１１を介して測定され、ネットワーク５２を経由して演算制御装置１４に送信される。
【００３８】
そして、演算制御装置１４は測定データを受信すると、シミュレーションモデルへ流入する都市ガスの流量を反映させる。これにより、シミュレーションモデルの出力電流は増加するが、演算制御装置１４がシミュレーションモデルの出力電流を一定に保とうとするため、図３中”ＣＨ０２”に示すようにセル有効電極面積を小さくしてバランスを取る。
【００３９】
また、図３に示すようにシミュレーションモデルのセル有効電極面積がセル有効電極面積正常範囲から外れた場合、演算制御装置１４は異常を検出する。この異常検出により、監視センターの監視作業者は燃料電池発電システム１００が自動停止する前に電解質膜に付着した水分を除去するような処置を保守作業者に指示し、大きな損傷を受ける前に処置することが可能になる。
【００４０】
次に燃料電池発電システム１００の改質器に関するシミュレーションについて説明する。演算制御装置１４は図４中”ＣＨ０３”に示す改質器温度の計測値に図４中”ＴＲ０２”に示すシミュレーション値が一致するように、図５中”ＣＨ０４”に示すようにシミュレーションモデルの改質反応の反応速度定数を変化させる。
【００４１】
さらに、演算制御装置１４は改質器出口での改質ガスの水素組成比を計算し、監視を行う。例えば、図６中”ＣＨ０５”に示すように水素組成比が正常範囲から外れた場合、改質器内の触媒活性などの低下が考えられるので、監視センターの監視作業者は改質器の還元作業を行うように保守作業者に指示を出す。
【００４２】
このように、演算制御装置１４は実際にはリアルタイムでは測定不可能な値を計算し、その計算結果を監視することにより、燃料電池発電システム１００の内部の劣化状況を正確に監視できるので、大きな事故や機器の故障に至る前に異常を検出することが可能になる。
【００４３】
また、データ収集装置１２からネットワーク５２を経由して送られてくるデータをデータベース１３に格納することで、燃料電池発電システム１００の内部の劣化の状態を記録しておくことが可能になる。さらに、データベース１３に格納されたデータを参照することにより、いつでも使用状況の履歴に関する情報を閲覧することが可能になる。
【００４４】
次に燃料電池発電システム１００に関する予測シミュレーションについて説明する。演算制御装置１４は図７中”ＣＨ０６”に示すスタック電圧の計測値に図７中”ＴＲ０３”に示すシミュレーション値が一致するように、図８中”ＣＨ０７”に示すようにシミュレーションモデルの燃料電池セル有効電極面積を変化させる。
【００４５】
図８中”ＰＯ０１”に示す時刻で未来予測を開始すると、演算制御装置１４はその時点でのシミュレーションパラメータを演算制御装置１５に送信する。演算制御装置１５はシミュレーションパラメータを受信し、実時間より高速にシミュレーションを開始する。
【００４６】
そして、図８中”ＳＩ０１”に示すように、図８中”ＰＯ０１”での燃料電池発電システム１００の運転条件で運転を続けた場合の未来予測値を得ることができる。この未来予測値を用いて異常を予測し、事故を未然に防ぐことが可能になる。
【００４７】
この結果、センサ１１を介して燃料電池発電システム１００の燃料電池スタック電圧等の物理量を測定し、この物理量をデータ収集装置１２でデータに変換すると共にネットワーク５２を経由し、このデータをデータベース１３に格納し、演算制御装置１４でこのデータに追従するようにシミュレーションモデルのパラメータを変化させることにより、燃料電池発電システム１００内部のリアルタイムでは測定不可能な値を計算で求められ、大きな事故や機器の故障に至る前に異常を検出できるので、保守にかかる工数を大幅に削減し、燃料電池発電システム内部の劣化状況を正確に監視すると共に劣化の状態を記録し、使用状況の履歴に関する情報の提供が可能になる。
【００４８】
なお、図１に示す実施例においてデータベース１３を構成要素の１つとしているが、必ずしもこのようにする必要は無く、燃料電池発電システム１００内部の劣化の状態を記録しないのであればデータベース１３は無くてもよい。
【００４９】
また、図１に示す実施例において監視対象である燃料電池発電システム１００は図１０に示すように定置式家庭用燃料電池としているが、必ずしもこれに限定されるものでは無く、定置式業務用燃料電池や自動車用燃料電池を監視対象としてもよい。
【００５０】
また、図１に示す実施例において通常のシミュレーションを演算制御装置１４で行い、予測シミュレーションを演算制御装置１５で行っているが、必ずしもこのようにする必要は無く、通常のシミュレーションと予測シミュレーションを１つの演算制御装置で行ってもよい。
【００５１】
また、図１に示す実施例において監視対象である燃料電池発電システム１００は１台としているが、必ずしもこのようにする必要は無く、複数台を同時に監視してもよい。この場合、監視対象である燃料電池発電システムのシミュレーションモデルが共通ならば、予測シミュレータは１台で構わない。
【００５２】
また、図１に示す実施例においてセンサ１１からデータ収集装置１２への経路、データ収集装置１２からネットワーク５２への経路、若しくは、ネットワーク５２からデータベース１３への経路は有線通信、若しくは、無線通信のどちらでもよい。
【００５３】
また、図２及び図３に示す実施例において燃料電池発電システム１００の燃料電池スタック電圧にシミュレーションモデルの値が追従するようにセルの有効電極面積を変化させているが、必ずしもこれに限定されるものでは無く、触媒活性等を変化させてシミュレーションを行ってもよい。
【００５４】
同様に、図４及び図５に示す実施例において燃料電池発電システム１００の改質器温度にシミュレーションモデルの値が追従するように改質反応での反応速度定数を変化させているが、必ずしもこれに限定されるものでは無く、水素の組成を決定づける反応器の伝熱係数を変化させてシミュレーションを行ってもよい。
【００５５】
また、図１に示す実施例においてネットワーク５２を介して監視を行っているが、必ずしもこのようにする必要は無く、ネットワーク５２を使用せずに燃料電池発電システム１００のすぐ近くで監視を行ってもよい。
【００５６】
また、図１に示す実施例において演算制御装置１４がデータベース１３に格納されているデータに基づいて、劣化した部品の交換や部品の再生（処理により実用に耐えうるレベルまで部品を再生する）等の最適な再生処置を決定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明に係る燃料電池発電監視システムの一実施例を示す構成ブロック図である。
【図２】燃料電池スタック電圧を示す特性図である。
【図３】燃料電池セル有効電極面積のシミュレーション結果を表す図である。
【図４】改質器温度を示す特性図である。
【図５】改質器での改質反応の反応速度定数のシミュレーション結果を表す図である。
【図６】改質器出口でのガスの水素組成比のシミュレーション結果を表す図である。
【図７】燃料電池スタック電圧を示す特性図である。
【図８】燃料電池セル有効面積の予測シミュレーション結果を表す図である。
【図９】従来の燃料電池発電監視システムの一例を示す構成ブロック図である。
【図１０】燃料電池発電システムの構成ブロック図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  測定手段
２  演算制御手段
３  脱硫器
４  改質器
５  燃料電池本体
６  空気供給装置
７  インバータ
８  熱交換器
９  貯湯槽
１０  補助加熱器
１１  センサ
１２  データ収集装置
１３  データベース
１４，１５  演算制御装置
５０  燃料電池ユニット
５１  貯湯ユニット
５２  ネットワーク
１００  燃料電池発電システム
１０１，１０２  燃料電池発電監視システム
【図１】
0005305119.tif 000002
【図２】
0005305119.tif 000003
【図３】
0005305119.tif 000004
【図４】
0005305119.tif 000005
【図５】
0005305119.tif 000006
【図６】
0005305119.tif 000007
【図７】
0005305119.tif 000008
【図８】
0005305119.tif 000009
【図９】
0005305119.tif 000010
【図１０】
0005305119.tif 000011